Suche nach der Kosmischen Neutrino-Strahlung und KATRIN.

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1 Suche nach der Kosmischen Neutrino-Strahlung und KATRIN.
Amand Faessler Universität Tübingen Publikation: Amand Faessler, Rastislav Hodak, Sergey Kovalenko, Fedor Simkovic: arXiv: [nucl-th] 11. Dez. 2013 und J. Phys. G38 (2011)

2 Kosmische Mikrowellen- Hintergrund-Strahlung
(Photonen mit Maximum bei 2 mm) Photonen = Licht enkoppelt Jahre nach dem Urknall bei einer Temperatur von 3000 Kelvin. Die Elektronen werden von den Protonen und Helium-Kernen zu neutralem Wasserstoff und Helium eingefangen. Da die Temperatur von 3000 Kelvin = 0.3 eV zum Ionisieren zu klein ist, können sich die Photonen im neutralen Universum nun frei bewegen.

3 Penzias und Wilson; BellTelephon Nobel-Preis 1978 Diese Strahlung folgt bis auf vier Stellen genau der Planck‘schen Formel für Schwarzkörperstrahlung einer Temperatur = (6) Kelvin in jeder Richtung.

4 COBE = Cosmic Background Explorer 1989-90
Temperature-Fluctuations of the Cosmic Microw.-Background: 1/ COBEWMAP COBE = Cosmic Background Explorer WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 2001 (2002)

5 Planck Satelliten Temperaturen Kosmischer Strahlungshintergrund (Release March 21. 2013)

6 Curvature of the Univers flat
Wir können die Ausdehnung der heissen Flecken berechnen. Curvature of the Univers flat x x x

7 Das Universum ist flach und hat genau die kritische Energie=Mas-sen-Dichte:
W = Wir können um uns nur bis zur Kugelfläche der letzten Elektron-Photon-Streuung sehen: ~14 x1012 light years

8 Strahlung mit der Temperatur angepasst
Experiment Schwarzkörper Strahlung mit der Temperatur angepasst (pdg 2012): T=2.7255(6) K T = (6) Kelvin

9 WBaryon = rBaryon/rcritical = 0.02h-2 = 0.04
The relative number abundance of the light nuclei formed in the big bang allows to determine the absolute baryon density and relative to the critical density (flat universe). h = 0.71 h2 = 0.5 Hubble-Konstant= H = 100 h [km/(sec Mpc)] WB h2= 0.02 h = 0.71 WBaryon = rBaryon/rcritical = 0.02h-2 = 0.04 nB = 0.22 m-3 eB = 210 MeV/m-3

10 Planck‘s Schwarz-Körper-Strahlung

11 Planck‘s Schwarz-Körper-Strahlung

12 Entkopplung der Neutrinos und der Kosmische Neutrino-Hintergrund
Für masselose massive Neutrinos: 

13 Bei welcher Temperatur entkoppeln die Neutrinos?
Expansionsrate des Universuns: H=(da/dt)/a Wechselwirkungsrate: G= ne-e+<svrelative> H = 8π𝐺ρ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙/3 = O( T2) [1/time] ~ (1/a3) <GF2 p2 c=1> ~ T3 <GF2 T2c=1> ~ GF2 T5 [1/time] with: Temperature = T ~ 1/a = 1/(length scale); hbar = h/(2p) = c = 1

14 Neutrino-Entkopplung
G/H = ( kB T/ 1MeV)3 ~ T(Neutrinos)Entkopp.~ 1MeV ~ 1010 Kelvin; heute: 1.95 K Zeit nach dem Urknall: 1 Sekunde Below T = 1 MeV: T(Photons)decoupling = 3000 Kelvin; today: K Time(Photons)decoupling = years

15

16 (Energie=Massen)-Dichte des Universums
Strahlungsdominiert: r ~ 1/a4 ~ T4; Stefan-Boltzmann log r Materiedominiert: r ~ 1/a3 ~ T3 Dunkle Energie a(t)~1/T 1/Temp 1 MeV, ~1sec 1 eV 5x104y 3000 K 8x109 y g K n 1.95 K heute

17 (Energy=Mass)-Density of the Universe
Radiation dominated: r ~ 1/a4 ~ 𝑇4=Stefan-Boltzmann log r Matter dominated: r ~ 1/a3 ~ T3 Dark Energy a(t)~1/T 1/Temp 1 MeV ~1sec n dec. 1 eV 5x104y 3000 K y g dec. 8x109 y g K n 1.95 K today

18 Results from Oscillations: No Hierarchy, no absolute Mass Scale
(Bild) Fogli, Lisi, Marrone, Palazzo: Phys. Rev. D86 (2012) Hamburg, March

19 1. Neutrino-Masse vom b-Zerfall:
Tranformation from Mass to Flavor Eigenstates

20 Masse des Elektron-Neutrinos im Tritium-Zerfall (Mainz + Troitsk)
With:

21 Messung der oberen Grenze der Neutrino- Masse in Mainz: mn < 2
Messung der oberen Grenze der Neutrino- Masse in Mainz: mn < 2.2 eV 95% C.L. Kurie-Plot Eur. Phys. J. C40 (2005) 447 mn2 <0 mn 2>0 Elektronen-Energie Q = keV

22 2. Neutrino-Masse mit Astrophysik:
Dichteverteilung der Materie im Universum (Power-Spektrum der Massenverteilung ) H = 100 x h [km/(sec x Mpc)]; Planck Sat: h = 0.67

23 Fourier-Transformation der Massenverteilung:

24 W0 = WL= 0.66 Wb= 0.04 h = ns = 0.94 Wn = 0 Cosmic Background Radiation nS = Potenz der für Fluktu-aktion k**nS nach inflationärer Expansion. 0.01

25 W0 = WL= 0.66 Wb= h = ns = 0.94 Wn = 0.05 0.01

26 Neutrino-Masse aus Kosmologie

27 Wie kann man den Kosmischen Neutrino-Hintergrund nachweisen?
Anihilation of extreme high energy neutrino with low energy relic neutrino into Z0 burst above GZK. 2. Free floating divided cylinder with neutrino absorber and neutrino non-absorbing material. 3. Electron-Neutrino capture on Tritium (KATRIN).

28 1.Vernichtung von Kosmischen Neutrinos mit sehr hoch energetischen Antineutrinos > 1022 eV
E = 4x(1021 to 1022) eV mn = 1 eV mn = 0.1 eV Energie-Erhaltung: En + mrel = 𝑚𝑍2+𝑝2𝑍 Impuls-Erhaltung: En = pZ; En = 𝑚𝑍2 2𝑚ν = 4×1021 𝑡𝑜 22 [eV] Z 10 p0  20 g‘s; Z Nucleon - Antinucleon Z 17 π±e± ; ν, ν mn = 1.0 and 0.1 eV nrelic 1.95 Kelvin Z0 Über GZK DGZK=50Mpc Vernichtung unterhalb der Greisen-Zatsepin-Kuzmin Distanz von 50 Mpc

29 Kosmische Strahlung vom Z-Burst erwartet bei 1021 -1022eV
Oberhalb GZK

30 2. Magnetisch frei schwebender Zylinder mit zur Hälfte n absobierendes Material
Das System rotiert in den Neutrino -wind. Permanent- Magnet Superaleitender Magnet Eine Hälfte n absorbierend, Die andere Seite steril. Thomas Müller hat mich darauf hingewiesen (Rujula). A. Ringwald: arXiv:hep-ph/031157v1; 2003. Zylinder- Form

31 3. Suche nach dem Kosmischen n Unter-grund durch den Tritium-Beta-Zerfall.
Kurie-Plot des Beta- und induzierten Beta- Zerfalls: n(CB) + 3H(1/2+)  3He (1/2+) + e- Unendlich gute Auflösung Q = keV Auflösung Mainz: 4 eV  mn < 2.3 eV Emittierdes Elektron Auflösung KATRIN: eV  mn < 0.2 eV 90% C. L. Elektron Energie Fit der Parameter: mn2 und Q value meV 2xNeutrino- Masse Zusätzlicher Fit: nur Intensität der CnB

32 Tritium Beta-Zerfall: 3H 3He+e-+nce

33 Neutrino-Einfang: n(relic) + 3H 3He + e-
20 mg(eff) Tritium  2x1018 T2-Moleküle: n-Einfänge KATRIN = 1.7x10-6 nen/<nen> [Jahr-1] Alle Jahre ein Einfang! Für <nen> = 56 cm-3

34 Hope KATRIN: 1 Count in 590 000 Years
Number of Events with average Electron-Neutrino Density of nen = 56 [Electron-Neutrinos/cm3] KATRIN: 1 Count in Years Hope Gravitational Clustering of Cosmic Background Neutrinos in our Galaxy.

35 Hoffnung: Gravitative Anziehung der Kosmischen
Zahl der Einfänge bei mittlerer Neutrinodichte: nen = 56 [Electron-Neutrinos/cm3] KATRIN: 1 Count in Years Hoffnung: Gravitative Anziehung der Kosmischen Hintergrund-Neutrinos in unserer Galaxie.

36 Gravitative Ansammlung von Neutrinos
R.Lazauskas,P. Vogel and C.Volpe, J. Phys.g. 35 (2008) ; Light neutrinos: Gravitieren nur in 50 Mpc (Galaxy Cluster): nn/<nn> ~ nb/<nb> ~ 103 – 104; <nb>= cm-3 A. Ringwald and Y. Wong: Vlasov trajectory simulations. Einfang in einer Galaxie (30 kpc to 1 Mpc) nn/<nn> = nb/<nb> ~ 106 ; (R = 30 kpc) Nncapture(KATRIN) = 1.7x10-6 nn/<nn> (year-1) = 1.7 [counts per year] Effective Tritium Source: 20 microgram  2 milligram Nncapture(KATRIN*) = 1.7x10-4 nn/<nn> (year-1)= 170 [counts/year];

37 20 Mikrogramm  2 Milligramm Tritium
Solch eine Erhöhung der Tritium-Quellstärke ist mit einem KATRIN-Typ Spektrometer (wahrscheinlich) nicht möglich!

38 Beschränkungen der Tritium-Quelle
The decay electrons should not scatter by the Tritium gas. Nach der mittleren freien Weglänge haben 36 % der Elektronen nicht gestreut. Source Beam Magnetic Field 3.6 Tesla Tritium Gas d Zahl der Tritium-Atome in Säule d = Säule-Dichte dr Optimale Säulendichte etwas unter rdfree/2 Troitsk: 30%; Mainz: 40%; KATRIN: 90%

39 Wieviele Elektronen streuen nicht in der Tritium-Gas-Quelle ?
KATRIN Design Report Nach l nur 36% Der e- haben nicht gestreut. (r*d)free = 1/s(etritium) Mittlere freie Weglänge: l = 1/(s*r) = dfree

40 2) Erhaltung des Magnetischen Flusses:
Da man die Quellstärke pro Fläche nicht erhöhen kann, erhöht man die Fläche um einen Faktor 100 von 53 cm2 auf 5000 cm2. Magnet. Fluß: (Ai=5000 cm2) x (Bi=3.6 Tesla) = Tesla cm2 = Af x (3 Gauss); Af = m2  Spektro-Durchm. = 90 Meter Magnet. Fluß: (Ai=5000 cm2) x (Bi=360 Gauss) = 190 Tesla cm2 = Af x (3 Gauss) Af = 63.6 m2 Spectrometer-Durchm. = 9 Meter

41 KATRIN Spektrometer-Tank auf dem Weg vom Rhein zum KIT-Nord Karslsruhe
Ein Riese unterwegs KATRIN Spektrometer-Tank auf dem Weg vom Rhein zum KIT-Nord Karslsruhe

42 Kompromiere den Elektron-Zyclotron –Strahl mit Durchmesser 80 cm zum Durchmesser = 8 cm des Transportkanals durch Erhöhung des Magnetfeldes von  3.6 Tesla. Überwinde den magnetischen Spiegel Durch Beschleunigung der Elektronen mit einer a positiven Spannung zum Transport-Kanal. Das Spektrometer wieder auf Erd-Potential.

43 3H-Quelle, Spektrometer und Detektor Erhaltung des magnet
3H-Quelle, Spektrometer und Detektor Erhaltung des magnet. Fusses: Fläche*Magnetfeld; Elektron-Impuls pe ; Auflösung: DE = Ef perpendicular KATRIN Design Report B(Quelle) = 3.6*104 Gauss (Fläche der Quelle)~ 50 cm2 B(Spectro) = 3 Gauss Fläche(Spectro) = 63.6 m2

44 3) Energieauflösung DE~ 1 eV
Energy resolution: Ef(perpend.) = Efp = DE 𝐵𝑖 𝐸𝑖𝑝 = 𝐵𝑓 𝐸𝑓𝑝 = const; DE !=1 eV= Efp = 𝐵𝑓 𝐵𝑖 Eip= 3 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 360 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 Eip; Eip = 120 eV; of Q = keV Beam direction qmax (electrons) = 5.7° pparallel Pperpendicular DW/(2p) = = 0.5 %

45 20 Mikrogramm  2 Milligramm Tritium
Solch eine Erhöhung der Tritium- Quellstärke bei einem KATRIN- Typ-Spectrometer erscheint nicht möglich! (But keep trying!!!) Siehe auch (Messe Photons von der Zyclotron-Resonanz-Strahlung): A. Kaboth, J. A. Formaggio, B. Monreal, Phys. Rev. D82 (2010)

46 Zusammenfassung 1 Der Kosmische Mikrowellen- Hintergrund erlaubt das Universum Jahre nach dem Urknall. Der Kosmische Neutrino-Untergrund 1 sec dem Urknall.

47 ENDE Zusammenfassung 2 2. Messe mit KATRIN jedoch obere Grenze von nne
Mittlere Dichte: nne = 56 [ Elektron-Neutrinos/cm-3] Katrin: 1 Einfang in Jahren Gravitative Clusterbildung der Neutrinos in unserer Galaxie: nn/<nn> < 106  1.7 Einfänge/Jahr (20 mg->2 mg 3H 170 pro Jahr) 2. Messe mit KATRIN jedoch obere Grenze von nne Kurie-Plot Electron Energy Emitted electron ENDE 2xNeutrino Masses